北京联合大学 毕业设计
度高于定子磁场的平均旋转速度或步进电动机及所带负载存在惯性过大等。这就更加大了步进电机的控制难度。
直流电机具有良好的起、制动性能，适合用在广泛范围内平滑调速，比较容易用各种方法对直流电机进行测速，控制简单，调速方便，但直流电机往往转速很快。而机器人在运动时，执行机构往往不需要很快的速度，有时甚至一分钟内只需要几转，这就必须加入特定的装置对直流电机进行减速。直流电机在运行过程中，想要控制电机的输出轴转到指定的位置很难，但随着控制理论和控制技术的发展，使用直流电机构成的位置伺服系统完全可以达到这种控制要求。舵机就是这种控制的一个实例，它是在直流电机上加入了伺服环节，使其可以实现输出转角的控制。
舵机的基本组成分为三部分；一个直流电机、一个内置减速器、一个内置的位置反馈器。所以舵机集成了直流电机的优点，并能通过内置减速器和位置反馈器实现输出转角位置的精确控制，减速器也把直流电机的转速成倍的减小，通过齿轮组又加大了电机的转矩，转矩的加大可以明显的提高负载承受能力。但是常用的舵机也存在一些缺点，例如由于体积和结构原因，对于电机转速的直接测量有一定的难度，这对于直接速度闭环的实现加大了难度，进而会影响舵机的控制特性。本次毕业设计的目的就是探讨一种能够提高舵机输出轴位置控制特性的方法。
2.2舵机的组成结构
舵机是集成了直流电机、电机控制器和减速器等，并封装在一个便于安装的外
壳里的伺服单元。其结构如图2所示。它能够利用简单的输入信号比较精确的控制转动角度的机电系统。舵机内部有一个电位器（或其它角度传感器）用于检测输齿轮箱输出轴转动角度，控制器根据电位器的信息能比较精确的控制和保持输出轴的角度。
图2 舵机结构图
舵机的主体结构主要有几个部分组成：外壳、减速齿轮组、电机、电位器、控制电路等。
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图3就是一个模拟的舵机实物图：
图3 舵机实物图
舵机的外壳一般是塑料的，特殊的舵机可能会有铝合金外壳。金属外壳能够提供更好的散热，可以让舵机内的电机运行在更高功率下，以提供更高的扭矩输出。金属外壳也可以提供更牢固的固定位置。
齿轮箱有塑料齿轮、混合齿轮、金属齿轮的差别。塑料齿轮成本底，噪音小，但强度较低；金属齿轮强度高，但成本高，在装配精度一般的情况下会有很大的噪音。小扭矩舵机、微舵、扭矩大但功率密度小的舵机一般都用塑料齿轮，如Futaba 3003，辉盛的9g微舵。金属齿轮一般用于功率密度较高的舵机上，比如辉盛的995舵机。995在和3003一样体积的情况下却能提供13KG的扭矩。Hitec甚至用钛合金作为齿轮材料，其高强度能保证3003大小的舵机能提供20几公斤的扭矩。混合齿轮在金属齿轮和塑料齿轮间做了折中。
舵机的控制电路中，一般都含有两种芯片：信号调制芯片和电机驱动芯片，用信号调制芯片来获得直流偏置电压，用驱动芯片驱动电机正反转，驱动芯片多为H桥，这两块芯片就相当于控制电路的大脑，除了两种芯片外还有若干的电阻电容连接在电路中。每一种舵机的控制电路中，所用的芯片型号各不相同，但是整体工作原理大致相同。
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图4为舵机内部实物图如下：
图4 舵机内部实物图
2.3舵机工作原理
下面按图2所示的舵机结构框图对舵机的控制原理做一论述。
控制电路接收控制脉冲，此脉冲信号信号经过调制后得到一个直流偏置电压。此电压输入到电机驱动电路，驱动电路根据直流偏置电压的高低，通过H桥电路驱动电机转动，齿轮组将电机的速度成大倍数缩小，并将电机的输出扭矩放大相应倍数，然后输出。电位器和齿轮组的末级一起转动，测量舵机轴转动角度并反馈至控制电路。控制电路检测并根据电位器判断舵机转动角度，然后控制舵机转动到目标角度或保持在目标角度。
模拟舵机需要一个外部控制器产生脉宽调制信号来告诉舵机转动角度，脉冲宽度是舵机控制器所需的编码信息。舵机的控制脉冲周期为 20ms，脉宽从0.5ms-2.5ms，分别对应-90 度到+90 度的位置。
如图5所示：
图5舵机输出转角图
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在0.5ms-2.5ms范围内的脉宽可以通过控制器随意调节，根据脉宽的变化，舵机的旋转角度就会根据所给脉冲宽度旋转到指定的角度。
脉宽调制信号的产生可以有多种方法，例如可以使用FPGA、模拟电路、单片机构成舵机的控制器。
FPGA成本高且电路复杂，不宜实现控制，但是脉宽输出精度很高。
模拟电路中，常用的一种方法是采用调制信号获取有源滤波后的直流电压，但是需要50Hz(周期是20ms)的信号，这对运放器件的选择有较高要求。从电路体积和功耗考虑也不易采用，5mV以上的控制电压的变化就会引起舵机的抖动，电源和其他器件的信号噪声都远大于5mV，所以滤波电路的精度难以达到舵机的控制精度要求。
单片机系统是一个数字系统，所以受外界干扰较小，整个系统工作可靠。基于单片机的舵机控制方法具有简单、精度高、成本低、体积小的特点，并可根据不同的舵机数量加以灵活应用。
2.4舵机参数
舵机的参数主要有几个方面：转速、转矩、电压、尺寸、重量和材质等。机器人中使用什么样的舵机，舵机是否满足控制要求需要对以上几个方面进行综合考虑。
1、转速
转速由舵机无负载的情况下转过60°角所需时间来衡量，常见舵机的速度一般在0.11S/60°~0.21S/60°之间。在设计机器人时要选择速度合适的舵机，以便机器人的执行机构能够满足控制要求，如何选择视情况而定。
2、转矩
舵机转矩的单位是KG·CM，可以理解为在舵盘上距舵机轴中心水平距离1CM处，舵机能够带动的物体重量。通俗讲舵机的转矩高，舵机的力量就大，但转矩高的舵机一般成本较高，在选择的时候要选择合适转矩的舵机。比如在人形机器人中，两条腿需要支撑整个身体的运动，承受整个身体的重量，所以腿部所使用的舵机必须能够提供大的转矩，满足机器人的运动机制。
3、电压
工作电压和舵机的速度、转矩息息相关，在4.8V和6V两种工作电压下这两个参数有比较大的差别。如Futaba S-9001 在 4.8V 时扭力为 3.9kg、速度为 0.22 秒，在 6.0V 时扭力为 5.2kg、速度为 0.18 秒。若无特别注明，JR 的舵机都是以 4.8V 为工作电压，Futaba则是以 6.0V 作为工作电压。 舵机的工作电压对性能有重大的影响，舵机推荐的电压一般都是4.8V或6V。当然，有的舵机可以在7V以上工作，12V的舵机也不少。较高的电压可以提高电机的速度和扭矩。选择舵机还需要看机器人的控制卡所能提供的电压。
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